| JP04015089 | WASHING AND DRYING MACHINE |
| WO/2007/060796 | DRUM-TYPE WASHER/DRYER |
| JP2008125806 | DRUM TYPE WASHING AND DRYING MACHINE |
LAUBE, Falk (Tuchmacherweg 7, Berlin, 13158, DE)
LUDENIA, Thomas (Brahmsallee 16, Falkensee, 14612, DE)
SEIDL, Rudolf (Siebenbürgener Str. 33, Regensburg, 93057, DE)
SKRIPPEK, Jörg (Dyrotzer Winkel 1, Wustermark OT Priort, 14641, DE)
ALBAYRAK, Hasan Gökcer (Avenue Charles de Gaulle 8 A, Berlin, 13469, DE)
LAUBE, Falk (Tuchmacherweg 7, Berlin, 13158, DE)
LUDENIA, Thomas (Brahmsallee 16, Falkensee, 14612, DE)
SEIDL, Rudolf (Siebenbürgener Str. 33, Regensburg, 93057, DE)
SKRIPPEK, Jörg (Dyrotzer Winkel 1, Wustermark OT Priort, 14641, DE)
| Patentansprüche 1 . Verfahren zum Abbremsen einer Wäschetrommel eines Hausgerätes zur Pflege von Wäschestücken, bei welchem - die Wäschetrommel mittels eines permanenterregten Synchronmotors über einen Riemen angetrieben wird, - der Synchronmotor mittels einer Steuereinrichtung angesteuert wird, und - die Wäschetrommel mittels der Steuereinrichtung dadurch abgebremst wird, dass wenigstens eine Wicklung des Stators des Synchron motors gegen ein Bezugspotenzial kurzgeschlossen wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Abbremsen der Wäschetrommel im Hinblick auf eine Soll-Zeitdauer des Abbremsens geregelt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abbremsen der Wäschetrommel im Hinblick auf das Vermeiden einer Beschädigung des Synchronmotors geregelt wird. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein beim Abbremsen der Wäschetrommel über die wenigstens eine Wicklung des Stators fließender elektrischer Kurzschlussstrom gemessen wird und das Abbremsen der Wäschetrommel abhängig von der Stromstärke des Kurzschlussstromes geregelt wird. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Abbremsen der Wäschetrommel die wenigstens eine Wicklung des Stators über einen elektrischen Schalter, insbesondere über einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, mit dem Bezugspotential gekoppelt wird. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stator des Synchron motors wenigstens zwei Wicklungen aufweist und die Wäschetrommel dadurch abgebremst wird, dass alle Wicklungen des Stators kurzgeschlossen werden. 7. Hausgerät zur Pflege von Wäschestücken mit - einer Wäschetrommel zur Aufnahme von Wäschestücken, - einem permanenterregten Synchronmotor zum Antreiben der Wäschetrommel, wobei der Stator des Synchron motors wenigstens eine Wicklung aufweist und der Rotor des Synchronmotors über einen Riemen mit der Wäschetrommel gekoppelt ist, - einer mit der wenigstens einen Wicklung des Stators gekoppelten Steuereinrichtung zum Ansteuern des Synchronmotors, die dazu ausgebildet ist, zum Abbremsen der Wäschetrommel die wenigstens eine Wicklung gegen ein Bezugspotential kurzzuschließen. |
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bremsen einer Wäschetrommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken. Die Erfindung betrifft außerdem ein Hausgerät zur Pflege von Wäschestücken.
Aus der Druckschrift JP 2001 24 61 92-A ist eine Waschmaschine bekannt, bei welcher eine Wäschetrommel mit einem Rotor eines bürstenlosen Gleichstrommotors direkt verbunden ist. Bei dieser bekannten Waschmaschine kann die Trommel durch Kurzschließen einer Wicklung des Stators des Gleichstrommotors abgebremst werden. Dadurch wird erreicht, dass die Wäschestücke von der Innenwand der Trommel abgelöst werden.
Beim Kurzschließen der Wicklung des Stators zum Abbremsen der Wäschetrommel fließt über die Wicklung ein elektrischer Kurzschlussstrom. Die Stromstärke dieses Kurzschlussstroms hängt unmittelbar von dem Trägheitsmoment der Wäschetrommel ab. Ist das Trägheitsmoment der Trommel sehr groß, so kann auch die Stromstärke des Kurzschlussstroms sehr groß werden; und die Permanentmagnete des Rotors können geschädigt oder die Statorwicklung kann thermisch zerstört werden. Diese Gefahr besteht insbesondere bei einem Direktantrieb, d.h. wenn die Wäschetrommel mit dem Rotor des Elektromotors unmittelbar verbunden ist und das gesamte Trägheitsmoment der Wäschetrommel auf den Elektromotor übertragen wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Abbremsen einer Wäschetrommel eines Hausgeräts sowie ein Hausgerät zu schaffen, bei denen ein schnelles Bremsen der Wäschetrommel gewährleistet wird, wobei den Anforderungen an den Schutz von Permanentmagneten des Rotors und der Statorwicklung Genüge getan werden soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie durch ein Hausgerät mit den Merkmalen nach Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist zum Abbremsen einer Wäschetrommel eines Hausgeräts zur Pflege von Wäschestücken ausgelegt. Die Wäschetrommel wird dabei mittels eines permanenterregten Synchronmotors über einen Riemen angetrieben, d.h. das Hausgerät weist einen Riemenantrieb auf. Der Synchronmotor wird mittels einer Steuereinrichtung angesteuert. Die Wäschetrommel wird dabei mittels der Steuereinrichtung dadurch abgebremst, dass wenigstens eine Wicklung des Stators des Synchronmotors gegen ein Bezugspotenzial kurzgeschlossen wird.
Unter dem Hausgerät zur Pflege von Wäschestücken wird hier insbesondere eine Waschmaschine verstanden. Unter den Begriff fallen aber auch ein Wäschetrockner sowie ein Waschtrockner, welcher sowohl zum Waschen als auch zum Trocknen von Wäschestücken dient.
Die Erfindung macht die Tatsache zunutze, dass - im Gegensatz zu Universal- und Asynchronmotoren - das Magnetfeld bei einem permanenterregten Synchronmotor durch Permanentmagnete im Rotor erzeugt wird und das Magnetfeld bzw. das Erregerfeld damit nicht abschaltbar, sondern permanent wirksam ist. Wird die Wicklung des Stators kurzgeschlossen, wird in dieser Wicklung durch die rotatorische Bewegung und das Magnetfeld des Rotors weiterhin eine elektrische Spannung induziert, und es fließt ein Kurzschlussstrom. Da dem Synchronmotor beim Kurzschließen der Wicklung des Stators keine elektrische Energie mehr zu- oder von diesem abgeführt wird, muss nach dem Energieerhaltungssatz die gesamte kinetische Energie des rotierenden Systems einschließlich der Wäschetrommel und der Beladung in ohmsche Verlustenergie, d.h. in Wärme in der Wicklung des Stators umgewandelt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass die Wäschetrommel mit deutlich größerer Verzögerung als bei einem natürlichen Auslauf, d.h. beim Leerlauf abgebremst werden kann. Die ersten Versuche haben gezeigt, dass sich die für das Abbremsen des Rotors von einer Drehzahl von etwa 18000 U/min bis zum Stillstand notwendige Zeit gegenüber dem natürlichen Trommelauslauf von circa 115 Sekunden auf unter 30 Sekunden verkürzt. Dabei wurde von einer maximalen Beladung der Wäschetrommel ausgegangen. Der beim Abbremsen der Wäschetrommel in der Wicklung des Stators fließende elektrische Kurzschlussstrom darf einerseits nicht so groß sein, dass die Permanentmagnete des Rotors geschädigt werden oder die Wicklung des Stators selbst thermisch zerstört wird. Andererseits sollte das resultierende Kurzschlussmoment allerdings ausreichen, um nennenswerte Verbesserungen gegenüber dem natürlichen Auslauf der Wäschetrommel zu erreichen. Dies ist beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gewährleistet, dass die Wäschetrommel mittels des Synchronmotors - anders als im Gegenstand gemäß Druckschrift JP 2001 24 61 92-A - über den Riemen angetrieben wird. Es wird auf diesem Weg erreicht, dass nicht das gesamte Trägheitsmoment der Wäschetrommel auf den Rotor des Synchronmotors übertragen wird, was bei einem im Stand der Technik verwendeten Direktantrieb nachteiligerweise der Fall ist. Der Riemenantrieb kann dabei so ausgelegt werden, dass die Stromstärke des Kurzschlussstromes einen vorgegebenen Schwellwert nicht überschreitet.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Abbremsen der Wäschetrommel geregelt wird. Dabei kann das Abbremsen der Wäschetrommel im Hinblick auf eine Soll- Zeitdauer des Abbremsens geregelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Abbremsen der Wäschetrommel im Hinblick auf das Vermeiden einer Beschädigung des Synchronmotors, insbesondere der Beschädigung von Permanentmagneten des Rotors sowie der Wicklung des Stators, geregelt werden. Zum Regeln des Abbremsens der Wäschetrommel kann die Wicklung des Stators beispielsweise pulsweise bzw. wiederholt kurzgeschlossen werden.
Es kann ein beim Abbremsen der Wäschetrommel über die wenigstens eine Wicklung des Stators fließender elektrischer Kurzschlussstrom gemessen werden, und das Abbremsen der Wäschetrommel kann abhängig von Messwerten für den Kurzschlussstrom geregelt werden. Dann kann gewährleistet werden, dass die Stromstärke des Kurzschlussstromes einen vorbestimmten Schwellwert nicht überschreitet. Somit können die Permanentmagnete des Rotors sowie die Wicklung des Stators geschützt werden.
Bei einer zur Regelung alternativen Ausführungsform wird die zumindest eine Wicklung des Stators für die gesamte Zeitdauer des Abbremsvorgangs kurzgeschlossen. Dann kommen die Vorteile der Erfindung vollständig zum Tragen. Der Schutz des Synchronmotors vor den Auswirkungen des Kurzschlussstromes wird dabei bevorzugt durch die Auslegung des Riemenantriebes gewährleistet.
Die Stromstärke des Kurzschlussstroms kann darüber hinaus vorteilhaft dahingehend ausgewertet werden, dass eine Beladung der Wäschetrommel abhängig von dieser Stromstärke überwacht wird.
Beim Abbremsen der Wäschetrommel kann die wenigstens eine Wicklung des Stators über einen elektrischen Schalter, insbesondere über einen Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), mit dem Bezugspotenzial gekoppelt werden. Bei permanenterregten Synchronmotoren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sie über einen so genannten Inverter, d.h. Wechselrichter angesteuert werden. Solche Inverter weisen in der Regel eine Mehrzahl von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode auf. Die Inverter umfassen in der Regel - wenn der Stator des Synchronmotors dreiphasig ausgeführt ist - sechs solche Bipolartransistoren. Es kann also ein bereits vorhandener Schalter zum Kurzschlussbremsen der Wäschetrommel genutzt werden.
Ist der Stator wenigstens zweiphasig ausgeführt, das heißt er weist wenigstens zwei Wicklungen auf, so wird die Wäschetrommel bevorzugt dadurch abgebremst, dass alle Wicklungen des Stators kurzgeschlossen werden.
Zur Erfindung gehört auch ein entsprechendes Hausgerät zur Pflege von Wäschestücken, insbesondere eine Waschmaschine, ein Wäschetrockner oder ein Waschtrockner. Das erfindungsgemäße Hausgerät umfasst eine Wäschetrommel zur Aufnahme von Wäschestücken. Es umfasst außerdem einen permanenterregten Synchronmotor zum Antreiben der Wäschetrommel, wobei der Stator des Synchronmotors wenigstens eine Wicklung aufweist und der Rotor des Synchronmotors über einen Riemen mit der Wäschetrommel gekoppelt ist. Das Hausgerät umfasst ferner eine mit der wenigstens einen Wicklung des Stators gekoppelte Steuereinrichtung zum Ansteuern des Synchronmotors. Die Steuereinrichtung, welche insbesondere einen Inverter sowie eine Steuereinheit umfasst, ist dazu ausgebildet, die wenigstens eine Wicklung zum Abbremsen der Wäschetrommel gegen ein Bezugspotenzial kurzzuschließen. Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen sowie deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Hausgerät.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und
Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei
Fig. 1 einen zeitlichen Verlauf der Drehzahl eines Rotors eines permanenterregten Synchron motors bei erfindungsgemäßem Abbremsen einer Wäschetrommel einer den Synchronmotor aufweisenden Waschmaschine sowie einen Verlauf der Drehzahl des Synchron motors bei einem Abbremsen der Wäschetrommel gemäß dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 2 einen Graphen eines beim Abbremsen der Wäschetrommel über eine Wicklung des Stators des Synchronmotors fließenden Kurzschlussstromes darstellt und
Fig. 3 einen drehzahlabhängigen Verlauf eines Dauerkurzschlussstromes.
Die Erfindung macht von einem Hausgerät zur Pflege von Wäschestücken Gebrauch, dessen Wäschetrommel mittels eines permanentmagneterregten Synchronmotors über einen Riemen angetrieben wird. Das Hausgerät weist also einen Riemenantrieb auf. Der Synchronmotor wird mittels einer Steuereinrichtung mit einer Steuereinheit und einem Inverter angesteuert. Im Beispiel wird von einem dreiphasig ausgeführten Stator des Synchronmotors ausgegangen, das heißt der Stator weist drei Wicklungen auf. Zum Abbremsen der Wäschetrommel im Schleuderbetrieb werden alle Wicklungen des Stators kurzgeschlossen. Zunächst wird untersucht, wie das Bremsverhalten der Wäschetrommel durch einen Motorkurzschluss beeinflusst wird und ob der Kurzschlussstrom schädliche Auswirkungen auf den Synchronmotor hat. Grundlage der nachfolgenden Betrachtungen ist der Schleuderbetrieb bei einer maximalen Drehzahl in einem ungünstigsten Fall (worst case).
Das Trägheitsmoment der Wäschetrommel errechnet sich zu
^ drum = - - m dmm - (R 2 + r 2 ) mit R als Trommelaußen- und r als Trommelinnenradius sowie m drum der Masse der beladenen Wäschetrommel. Wird vereinfachend davon ausgegangen, dass sich während des Schleuderns die gesamte Masse am Trommelaußendurchmesser konzentriert, ergibt sich nun für das Trägheitsmoment:
^ drum = m drum ' R ■
Dieses Trägheitsmoment muss jetzt über das Übersetzungsverhältnis ü des Riemengetriebes auf den Synchronmotor umgerechnet werden:
ΘU._ = drum drum "2 U
Zusammen mit dem Trägheitsmoment Θmot des Synchronmotors selbst folgt dann für das gesamte an der Motorwelle wirksame Trägheitsmoment
®res = ®1 drum + Θ m O r
Die gesamte kinetische Energie des rotierenden Systems beträgt E km = ~ Θ res - Ω 2 mit der Drehfrequenz des Motors
& = 2π - n mot .
Wird berücksichtigt, dass die mechanische Leistung des Synchronmotors im Kurzschlussfall der Verlustleistung entspricht, weil keine elektrische Leistung zu- oder abgeführt wird, lässt sich über das Momentengleichgewicht (Bewegungsgleichung)
M mech - Θ res - ^ = 0 und deren schrittweiser Integration der zeitliche Verlauf der Motordrehzahl sowie der Motorkenngrößen im Kurzschlussfall berechnen. Fig. 1 zeigt nun einen Verlauf 1 der Motordrehzahl beim Kurzschließen der Wicklungen des Stators. In Fig. 1 ist dem Verlauf 1 ein weiterer Drehzahlverlauf 2 gegenübergestellt, welcher dem Verlauf der Motordrehzahl bei einem natürlichen Auslauf der Wäschetrommel (konstantes Bremsmoment von 0,07 Nm) entspricht. Angenommen sei hier eine Wäschetrommel mit R = 200mm und einer resultierenden Mantellast m drum = \2kg . Die Startdrehzahl der Wäschetrommel beträgt 1650 U/min, dies entspricht für ü = 10,6 einer Motordrehzahl von n mot = 17490 U/min. Die Zeit bis zum Stillstand der
Wäschetrommel reduziert sich durch das zusätzliche Kurzschlussbremsmoment des Synchronmotors deutlich auf unter 25% von circa 120 Sekunden auf 30 Sekunden, was in Fig. 1 anhand der Verläufe 1 und 2 zu erkennen ist.
Der beim Kurzschlussbremsen der Wäschetrommel über die Wicklungen des Stators fließende Kurzschlussstrom verursacht einen Anstieg der Temperatur des Synchronmotors. Es wird nun untersucht, welchen Einfluss dieser Temperaturanstieg auf die Wicklungen des Stators hat. Es wird nach wie vor von einem ungünstigsten Fall ausgegangen, d.h. der Kurzschluss tritt auf, wenn im System die maximale kinetische Energie gespeichert ist - maximale Beladung der Wäschetrommel mit nassen Wäschestücken konzentriert an der Innenwand der Wäschetrommel, maximale Schleuderdrehzahl. Eine adiabate Motorerwärmung vorausgesetzt, d.h. die gesamte Energie wird während des Bremsvorgangs im Motor gespeichert und nicht an die Umgebung abgegeben, ergibt sich für den Temperaturanstieg:
E„
A$ = - J hn m ■ c mit m der Masse des Verluste erzeugenden Gebietes und c dessen spezifischer Wärmekapazität, wobei die gesamten Verluste im Stator erzeugt werden. Wird mit einer resultierenden Gesamtwärmekapazität des Stators, der Gesamtmasse und der gesamten kinetischen Energie als Bremsenergie gerechnet, ergibt sich für den ungünstigsten Fall ein mittlerer adiabatischer Temperaturanstieg im Motor von circa Δ.9 = 8ÄT . Rechnet man nur für die Kupferverluste, die Kupfermasse und die spezifische Wärmekapazität der Wicklungen, ergibt sich ein mittlerer Temperaturanstieg für die Wicklungen von circa Δ.9 = 5OK . Der tatsächliche Maximalwert für die Motorerwärmung liegt jedoch bei 20 bis 30 AT , dies aufgrund von Wärmeleitungsvorgängen im Motor sowie aufgrund von Wärmeabgabe durch Konvektion während des Bremsvorgangs. Geht man davon aus, dass die Maximaltemperatur der Wicklung vor dem Kurzschluss circa 145°C beträgt, könnte der maximal zulässige Wert von 155°C (Iso.-kl. F) zwar kurzzeitig überschritten werden, eine nachhaltige Schädigung der Motorwicklung ist jedoch nicht zu erwarten. Beträgt die maximale zulässige Temperatur der Wicklung 180 0 C (Iso.-kl. H), so wird diese beim Kurzschlussbremsen nicht überschritten. Das Kurzschlussbremsen der Wäschetrommel hat somit keine Überhitzung des Synchron motors zur Folge.
Nun wird der Einfluss des Kurzschlussstroms auf die Permanentmagnete des Rotors sowie auf den Inverter untersucht. Der Maximalwert des beim Abbremsen der Wäschetrommel über die Wicklungen des Stators fließenden Kurzschlussstroms tritt unmittelbar nach dem Kurzschluss (Stoßkurzschlussstrom) auf und hängt im Wesentlichen von der induzierten Leerlaufspannung U 1 und der subtransienten
Reaktanz X d des Motors ab. Für einen permanenterregten Synchronmotor gilt annähernd X d = X d " . Ε\x\ Dauerkurzschlussstrom beträgt näherungsweise, d.h. bei Vernachlässigung des Widerstandes der Wicklung bzw. bei hohen Motordrehzahlen:
γ
Der Maximalwert des Stoßkurzschlussstroms in einem ungünstigsten Fall im Spannungsnulldurchgang beträgt dann
1 K s = 2 - V2 - I K8 ^ . Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Verlauf des über eine 74 Windungen aufweisende Wicklung fließenden Kurzschlussstroms bei einem dreisträngigen Kurzschluss im Schleuderbetrieb bei 17500 U/min. Es ist zu erkennen, dass der Maximalwert des Kurzschlussstroms bereits nach einer halben Periodendauer auftritt, für 17500 U/min also nach 0,43ms. Die Stromstärke des Kurzschlussstroms fällt dann jedoch relativ schnell auf den Dauerkurzschlussstrom ab. Eine FEM-Berechnung (finite element method) der entmagnetisierenden Feldstärke H c für den Stoßkurzschlussstrom ergibt, dass die
Permanentmagnete bis zu einer Magnettemperatur von circa 130 0 C keine irreversible Entmagnetisierung erfahren, das heißt ein Kurzschluss ist für die Permanentmagnete des Rotors in jedem Fall unkritisch, da im normalen Betriebsfall weder im Waschbetrieb noch im Schleuderbetrieb höhere Magnettemperaturen erreicht werden. Der Kurzschlussstrom ist ebenfalls für den Inverter unkritisch.
Die vorliegende Konfiguration des Synchronmotors besitzt eine relativ hohe Motorinduktivität, die sich aus der Induktivität der Wicklungen sowie der vergrabenen Permanentmagnete zusammensetzt und durch spezielle Blechschnitt- und Wicklungsauslegung beeinflusst wird. Diese Motorinduktivität ist zur Optimierung des Feldschwächverhaltens erforderlich, um bei moderaten Strömen im Schleuderbetrieb hohe Motordrehzahlen zu erreichen. Durch die hohe Motorinduktivität wird auch das Kurzschlussverhalten positiv beeinflusst, das heißt sowohl der Dauerkurzschlussstrom I KS eff a\s auch der Spitzenwert des Stoßkurzschlussstroms I κs sind relativ niedrig. Dabei ist der Dauerkurzschlussstrom I KS efr für hohe Drehzahlen relativ konstant, das heißt weitgehend drehzahlunabhängig. Dies, weil der Einfluss des Widerstandes gegenüber der Synchronreaktanz vernachlässigbar klein wird und sich die Drehzahlabhängigkeiten der induzierten Spannung und der Synchronreaktanz aufheben. Ein drehzahlabhängiger Verlauf des Dauerkurzschlussstroms ϊ KS eff \st in Fig. 3 abgebildet.
Bezugszeichenliste
1,2 Verläufe ϊ KSeff Dauerkurzschlossstrom ϊ κs Stoßkurzschlussstrom
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